新冠病毒特征蛋白高置信度标准光谱构建方法探讨
增强拉曼散射技术因具有超高灵敏度、直接检测病原体的便捷特性，在新冠病毒快速检测领域应用潜力巨大；目前，国内外已有多家单位开展了增强拉曼技术检测新冠病毒的研究。但是，新冠病毒拉曼检测尚未建立公认的标准光谱数据库，存在不同研究团队所报道的新冠病毒特征蛋白拉曼光谱差异较大的情况，这将严重阻碍拉曼检测方法的大规模实际应用。 本报告将重点讨论新冠病毒特征蛋白（如S蛋白）高置信度标准光谱构建方法。首先，从原子尺度出发，构建病毒分子特征蛋白结构模型，基于量子力学计算模拟特征蛋白的拉曼谱图。研究发展了蛋白特征峰（酰胺Ⅰ、酰胺Ⅲ）简并计算模型、基于大片段方法的特征蛋白全谱图计算模型、基于超大规模（十万核）并行计算的蛋白结构域精算模型；证实了新冠拉曼光谱具有“指纹识别”的唯一性并构建了新冠病毒蛋白体系较为完备的理论谱图数据库。其次，研制了高度匹配新冠病毒结构特征的增强基底，有效避免了杂质影响并实现了待测对象整体激发，解决了长期困扰生物大分子增强拉曼光谱检测中的信号复现性问题，实现了新冠病毒特征蛋白高重现性增强拉曼光谱检测。最后，通过理论计算与检测实验相结合并交叉验证，解析了光谱信号与新冠病毒分子振动模式之间的对应关系，实现了高置信度标准光谱构建。 基于该标准光谱库，团队结合拉曼物理设计了一套神经网络模型训练、验证、解释的完整方法，开发了新冠拉曼光谱双模型神经网络综合分析判别算法，通过光谱显著度分析确认了神经网络判别结果的科学性和可靠性；团队根据现场即时检测特点，自主研发了高自动化的移动式拉曼谱仪。团队初步完成了样机系统的应用验证，实现了新冠病毒拉曼检测全流程耗时约20分钟，检测结果与核酸检测一致率高于90%，检测灵敏度与核酸检测相当。
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2022-07-29
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